锅炉汽包水位测量新技术应用张学平

锅炉汽包水位测量新技术应用张学平

张学平

(白音华金山发电有限公司内蒙古锡林郭勒盟026200)

摘要:火力发电厂锅炉汽包水位的测量具有十分重要的意义，它关系到电厂的安全经济运行。文章主要介绍白音华电厂锅炉汽包水位测量新技术应用，解释了汽包锅炉水位差压式计存在偏差较大的原因，针对这一问题采取了有效的改造措施，对同类型锅炉解决此类问题有借鉴意义。

关键词：汽包水位；差压式水位计；内装平衡容器

一、引言

我公司改造前后汽包配置图：

改造前水位计分布图

改造后水位计分布图

汽包水位重要性

保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要的安全性指标。由于负荷、燃烧工况及给水流量的变化，汽包水位会经常变化。众所周知，水位过高或急剧波动会引起蒸汽品质恶化和带水，造成受热面结盐，严重时会导致汽轮机水冲击振动、叶片损坏；水位过低会引起排污失效，炉内加药进入蒸汽，甚至引起下降管带汽，影响炉水循环工况，造成炉管大面积爆破。由于汽包水位测量和控制问题而造成的上述恶性事故的情况时有发生，严重影响火电厂运行的安全性。

锅炉运行中，我们是通过水位测量系统来监视和控制汽包水位的。当汽包水位超出正常运行范围时，报警系统将发出报警信号，保护系统将立即采取必要的保护措施，以确保锅炉和汽轮机的安全。因此，锅炉汽包水位测量系统是机组安全运行的极端重要的系统。根据锅炉汽包水位测量的重要性和测量技术的特点，锅炉汽包水位测量系统至少应满足下列基本要求：

1．准确性好：由于汽包水位运行工况十分复杂，而汽包水位测量采用的联通管式或差压式测量原理，使得汽包压力和测量参比条件变化时会造成较大误差，远远超出汽包水位测量标准示值偏差（标准误差为30mm以内的误差）。所以长期以来，保证汽包水位测量准确性一直是摆在我们面前的一个难点和关键问题。

2．可靠性高：汽包水位测量系统应从取样开始，到信号转换控制和保护回路，以及供电回路均应十分可靠。系统也应当保证可靠性，包括对汽包水位测量、控制和保护系统的配置应采取严格的冗余要求，应采用两种或以上工作原理共存的配置原则；锅炉汽包水位控制和保护用的水位测量信号应采取三重冗余等。

3．维护性好：锅炉汽包水位测量系统的维护应简单、维护工作量应尽可能少，而且应便于进行在线实际水位信号的保护联动试验等。

二、目前差压式锅炉汽包水位计存在的问题

2.1目前差压水位计参比水柱温度受平衡容器导热影响而造成参比水柱平均温度高于补偿温度（60℃），从而造成水位比汽包内水位高的较大误差，若未采取技术措施其示值将远高于其它水位计。

2.2差压式锅炉汽包水位计的原理和误差；

差压式水位计是通过把水位高度的变化转换成差压的变化来测量水位的，因此，其测量仪表就是差压水位计。差压式水位计准确测量汽包水位的关键是水位与差压之间的准确转换，这种转换是通过平衡容器形成参比水柱来实现的。目前，国内外最常用的是通过单室平衡容器下的参比水柱形

成差压来测量汽包水位，如图1所示。

图1水位-差压

正负压管输出的压差值ΔP按下式计算：

ΔP=P+－P－=L(ρa－ρs)g－H(ρw－ρs)(1-1)

或改写成

H=(L(ρa－ρs)g－ΔP)/(ρa－ρs)g(1-2)

式中：ρa—参比水柱(P+侧水柱)的密度

ρw—汽包内饱和水密度

ρs—汽包内饱和蒸汽密度

H—汽包汽包内实际水位

图2汽包压力和密度差的关系

根据公式（1-1）和（1-2）以及图2可以看出，汽包水位与差压之间不是一个单变量函数关系，更不是一个线性函数关系；饱和水密度和饱和蒸汽密度的变化将影响测量结果，而饱和水密度和饱和蒸汽密度与汽包压力有如图2所示的函数关系。因此，汽包压力的变化将影响差压水位计的测量结果。此外，参比水柱温度变化同样也会影响差压水位计的测量结果。

以L=600mm为例，计算表明：

图2表示了汽包压力和密度差的关系。

（1）压力愈低，差压信号的相对误差愈大。以工作压力P=17MPa为基准，并假定ρa为40℃时的密度值，汽包水位在H=300mm处，则当工作压力P=11MPa时，误差为－4.1%；当P=5MPa时，误差为－9.17%；当P=3MPa时，误差达到－12.4%。

（2）根据某电厂条件下的计算，参比水柱平均温度对水位测量的影响如表1所示。表1：参比水柱平均温度对水位测量的影响表(40℃为基准)

从表1可知，如果参比水柱的设定温度值为40℃，当其达到80℃时，其水位测量附加正误差33.2mm；当参比水柱温度达到130℃时，其水位测量附加正误差高达108mm。

2.3汽包内水欠饱和对水位测量的影响

通过咨询和理论分析计算2035t/h炉在20MPa压力时，欠饱和5℃左右，在零水位时影响水位40mm左右。而欠饱和1℃时，影响水的密度为9.64kg/cm³，汽包内水温欠饱和1℃影响汽包水位正误差9mm左右，欠饱和水产生的测量误差和参比水柱产生的测量误差是一致的，是叠加的，且水位越高误差越大，由此可见汽包内水欠饱和对水位测量的影响是不可忽略的。

综上，汽包内水欠饱和及参比水柱温度对差压信号相对误差的影响都是不可忽略的。连通管式水位计是负向误差，差压式水位计产生的是正向误差，因此以前的水位测量系统要保证全工况、全范围保持水位一致是不可能的。各厂为使各水位计偏差小于30mm，采用云母水位计机械零点下移，修改DCS系统中的差压公式、或修改变送器等办法，这样只能使差压和云母在某一工况下水位接近，埋下了事故隐患，存在误动、拒动的可能。

三、汽包水位测量新技术简介

3.1汽包水位内装平衡容器

汽包水位内装平衡容器结构原理如下图所示，

图3汽包水位内装平衡容器原理图

3.2采用汽包水位内装平衡容器测量汽包水位具有以下特点：

1）、精确度高，不受汽包内水欠饱和以及外置平衡容器参比水柱温度变化的影响，从公式（3）可以看出变送器所测得的差压值为汽段参比水柱（饱和水）和相同高度的饱和汽静压之差，这一点与以往的任何一种外置式平衡容器不同，而采用外置式平衡容器测量汽包水位不仅受平衡容器下参比水柱温度变化的影响，而且由于补偿公式是假定汽包内水是饱和状态下推算出来，而实际上汽包内的水是欠饱和的，而且随着负荷变化欠饱和度也是变化的，由此可见，采用内装平衡容器的测量精确度远比外置式平衡容器要高。

2）、由于汽包的汽侧取样管上焊接有冷凝罐，可以及时向平衡容器中补充冷凝后的饱和水，因而可以保证锅炉点火不久就可投入汽包水位测量。

3）、具有防止内装平衡容器故障的后备措施，当内装平衡容器出现意外时，可将正压表管与冷凝罐的备用正压取样管相连，这样可以方便转换到改进型外置式单室平衡容器继续工作。

四、改造后的效果及经济效益分析

图4改造后差压水位计效果曲线

锅炉按照上述方案进行了改造，主要采用了水位测量装置改进和热工逻辑修改等治理措施。机组满负荷运行时，成功地将汽包水位从原来的偏差80mm降低到目前的10mm以内，解决了锅炉安全生产中的一项难题，消除了影响安全运行的隐患，获得了较好的经济效益，避免了由于汽包水位保护动作引起的锅炉MFT。

致谢

本文中方案的制定和实验数据的测量记录工作是在秦皇岛华电测控设备有限公司等工作人员的大力支持下完成的，在此向他们表示衷心的感谢。

五、参考文献

【l】吴永生，方可人．热工测量及仪表[M]．中国电力出版社，1995．

【2】候子良．《火力发电厂锅炉汽包水位测量系统技术规定》编制说明[J]．电力设备，2005，l6(7)．

【3】徐士良．数值分析与算法[M]．机械工业出版社，2003．

【4】侯子良,刘吉川,侯云浩,等.锅炉汽包水位测量系统[M].北京:中国电力出版社,2005.

【5】刘吉川,于剑宇,褚得海,等.汽包水位测量新技术[J].中国电力,2006,39(3):102～104